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Method Article
这里使用的实验展示了一种分子对接结合探针技术的方法,以预测和验证中药小分子与蛋白质靶点之间的相互作用。
去泛素化酶 (DUB) 在调节泛素化稳态中起着关键作用,UCHL3 是一种典型的半胱氨酸 DUB,错综复杂地参与无数的生理和病理过程。因此,开发靶向泛素 C 末端水解酶 L3 (UCHL3) 的小分子抑制剂具有重要意义。该方案旨在建立以 UCHL3 为代表的半胱氨酸 DUB 小分子抑制剂的虚拟筛选和 体外 验证过程。首先,使用分子对接技术对 UCHL3 的潜在抑制剂进行虚拟筛选,并将药物与蛋白质靶点之间的相互作用可视化。随后,通过 体外 活性抑制试验验证筛选药物丹参素的有效性。泛素-7-氨基-4-甲基香豆素 (Ub-AMC) 和血凝素-泛素-乙烯基砜 (HA-Ub-VS) 用作 体外 活性测试的探针,因为它们可以与带有小分子抑制剂的 DUB 竞争性结合以评估 UCHL3 的活性。结果表明,丹参素在分子对接中与 UCHL3 具有良好的结合亲和力,它可以竞争性地抑制 UCHL3 与 HA-Ub-VS 的活性。这些发现为进一步研究和开发靶向 UCHL3 的治疗药物提供了重要参考。
泛素化是蛋白质的翻译后修饰,E1 泛素激活酶、E2 泛素结合酶和 E3 泛素连接酶将泛素连接到靶蛋白上,泛素化的整个过程可以通过去泛素化酶 (DUB) 逆转1,2,3,4。由于其重要的生理和病理作用,DUB 被认为是药物发现的重要靶标 5,6。
已在人类中鉴定出 100 多种 DUB 7,8。它们通常作为异肽酶发挥作用,负责裂解泛素的 C 端与底物或其他泛素分子中的赖氨酸残基之间的异肽键 9,10。目前,它们主要分为七大科,即:泛素特异性肽酶 (USP)、卵巢肿瘤蛋白酶 (OTU)、Jab1/Mov34/Mpr1 Pad 1 N 端 + 结构域蛋白酶 (JAMM)、与含泛素的新型 DUB 家族蛋白酶相互作用的基序 (MINDY)、泛素 C 端羟化酶 (UCH)、Machado-Josephin 结构域蛋白酶 (MJD) 和含锌指泛素肽酶 1 (ZUP1)9.除了属于锌金属蛋白酶家族11 的 JAMM 之外,其他 DUB 是半胱氨酸蛋白酶,其特征是由催化半胱氨酸、组氨酸和第三个酸性残基组成的催化三联体12,13。这种特异性为开发靶向酶活性位点或附近变构口袋的小分子抑制剂开辟了途径。
在去泛素化酶研究领域,表征其活性存在重大挑战14,15。基于活性探针的表征是研究 DUB 抑制剂的重要方法16。通过在细胞裂解物或重组蛋白中使用基于活性的探针和抑制剂进行竞争性测定,可以表征 DUB 的活性,从而促进靶向这些酶的小分子抑制剂的开发。Ub-AMC 是一种用于检测 DUB 活性的早期探针,其荧光基团连接到泛素的 C 端17,18。当 DUBs 发挥催化活性时,AMC 被大量释放,其检测到的光的荧光强度也相应增强。该探针已广泛用于 DUB 抑制剂的高通量筛选19,20。HA-Ub-VS 探针也用于测量 DUB 活性21。它在泛素的 C 端有一个乙烯基砜基团,使其成为 DUB 的自杀性底物。十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳 (SDS-PAGE) 分离后,可以使用蛋白质印迹法检测活性 DUB 22,23,24。
传统中医 (TCM) 使用药用植物已有 2000 多年的历史。从天然产物中开发新药具有重要的医学意义,重点是识别活性成分并阐明其机制25。 丹参 Bge 是一种广泛用于治疗多种疾病的草药,包括癌症、心血管、肝脏和神经系统26。目前,它包含已知的小分子,如丹参酮27、丹参素28、丹参酸29 等。这些化合物表现出多种生物活性,例如抗血栓形成、抗氧化和抗肿瘤作用,使其对研究非常有价值26。最近的研究确定丹参素是 SARS-CoV-230 的 3-胰凝乳蛋白酶样蛋白酶 (3CLpro) 的共价抑制剂。已显示它与 3CLpro 的活性位点残基 C145 形成共价键,表明 丹参 中存在潜在的小分子蛋白酶抑制剂。
泛素 C 末端水解酶 L3 (UCHL3) 属于 DUB 的 UCH 家族中的半胱氨酸蛋白酶。它依靠半胱氨酸95、组氨酸169 和天冬氨酸184 等保守残基来有效催化其功能31,32。它在多种分子途径中起着至关重要的作用,包括细胞周期、同源重组和蛋白质连接 DNA 断裂的修复33。此外,它在卵巢癌、前列腺癌、胰腺癌、结直肠癌和非小细胞肺癌等各种癌症中上调34。基于这些研究,UCHL3 似乎是治疗疾病的一个有前途的靶点。已经确定了几种 UCHL3 小分子抑制剂,并正在走向临床使用35,36。
在这项研究中,进行了分子对接以研究 Salvia miltiorrhiza Bge 和 UCHL3 小分子之间的相互作用。随后,使用 DUB 特异性探针 Ub-AMC 和 HA-Ub-VS 的 体外 实验确定丹参素是 UCHL3 的小分子抑制剂。分子对接还预测了丹参素的潜在结合位点,提示其作用机制。
1. 下载 丹参 小分子结构 Bge 和 UCHL3
2. 分子对接
3. 纯化蛋白 UCHL3
4. UCHL3 活性测定(Ub-AMC 测定)
5. HA-Ub-VS 对 UCHL3 活性的抑制测定(HA-Ub-VS 测定)
6. 蛋白质印迹
为了筛选出 丹参 中能有效抑制 UCHL3 的小分子,我们从 TCMSP 网站获得的小分子与 UCHL3 进行了分子对接。对接结果排名前 30 位的小分子及其得分如 表 1 所示。所有小分子的对接结果见 补充表 1。我们选择丹参素作为代表性小分子进行研究。如图 1 所示,丹参素和 UCHL3 分别与 ARG-186、HIS-169、VAL-166 和 ASN-93 具有氢键,?...
DUB 通过从底物或聚泛素链中去除泛素,在调节整个泛素系统的稳态中起着至关重要的作用37。近年来,这些酶作为药物开发的目标也引起了广泛关注13。然而,小分子药物开发过程中存在挑战。例如,涉及数以万计的小分子文库的高通量筛选会导致高成本和巨大的工作量负担38。中医具有数千年的临床使用历史和扎实?...
作者声明没有利益冲突。
这项工作得到了北京国家自然科学基金 [资助号 7244498] 的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
30% Acrylamide | Beijing Lablead Biotech Co., Ltd | A3291 | |
Ammonium persulfate | China National Medicines Corporation Ltd | 10002616 | |
Anti-rabbit IgG, HRP-linked Antibody #7074 | Cell Signaling Technology | 7074P2 | |
BeyoECL Plus | Beyotime | P0018S | |
Bradford Protein Assay Kit | Beyotime | P0006 | |
ClonExpress Ultra One Step Cloning Kit | Vazyme | C115-01 | |
Danshensu | Shanghai yuanye Bio-Technology Co., Ltd | B20254 | |
DMSO | Ameresco, Inc. | 21K2356571 | |
Electrophoresis System | Liuyi Biotechnology | 112-0630 | |
HEPES | Sigma | H3375 | |
His-tagged protein purification kit (NTA-Ni agarose magnetic beads) | Beyotime | P2247S | |
Immun-Blot PVDF Membrane, Roll, 26 cm x 3.3 m | Bio-Rad Laboratories (Shanghai) Co., Ltd | 1620177 | |
Isopropyl alcohol | Macklin | I811925 | |
M5 Prestained Protein Ladder | Mei5 Biotechnology Co.Ltd | MF-212-01 | |
Maestro | Schrödinger’s | https://www.schrodinger.com/platform/products/maestro/ | |
Methyl alcohol | China National Medicines Corporation Ltd | 10014108 | |
MF-Millipore | Millipore | HAWP04700 | |
MyFug mini centrifuge | Sigma | Z764183 | |
Pierce Dilution-Free Rapid Gold BCA Protein Assay | Thermo Scientific | A55860 | |
PR-619 | Cell Signaling Technology | 26065S | |
Primary Antibody Dilution Buffer for Western Blot | Macklin | P917820 | |
Recombinant Human HA-Ubiquitin Vinyl Sulfone Protein, CF | R&D Systems | U-212-025 | |
Recombinant Human Ubiquitin AMC Protein, CF | R&D Systems | U-550-050 | |
Skim Milk | Becton,Dickinson and Company | 232100 | |
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) | Ameresco, Inc. | 205-788-1 | |
TEMED | Ameresco, Inc. | 2545C134 | |
Tween 20 | Beijing Lablead Biotech Co., Ltd | 0777-1 | |
UCHL3 (D25E6) Rabbit mAb | Cell Signaling Technology | 8141T |
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